Эволюция от традиционной концепции поляризации к использованию Современной теории поляризации (MTP) при расчете констант поляризации в III-нитридах, подчеркивающая обоснованность использования слоистой гексагональной структуры в качестве эталона с помощью недавних экспериментальных результатов, которые бросают вызов традиционным представлениям о спонтанной поляризации в вюрцитных полупроводниках. Автор: Ван и др., 2024.
Согласно недавнему исследованию ученых из Мичиганского университета, обновленная модель устраняет разрыв между недавними экспериментами и теорией относительно поляризации в вюрцитных полупроводниках, открывая путь к разработке более компактных, быстрых и эффективных электронных устройств.
Второй по объему производства полупроводник после кремния, нитрид галлия уже широко используется в светодиодном освещении и мощных высокочастотных электронных устройствах. Ожидается, что этот материал изменит следующее поколение сотовых телефонов и систем связи, а поляризация лежит в основе его выдающихся электронных характеристик.
«Полупроводники нитрида галлия уже повсюду в нашей повседневной жизни, и их влияние будет продолжать расти», — сказал Цзетиан Ми, профессор электротехники и компьютерной инженерии в UM и старший автор исследования, опубликованного в Письма прикладной физики.
Здесь исследовательская группа сосредоточилась на кристаллической структуре вюрцита нитрида галлия — наиболее часто используемой фазе для электронных и оптоэлектронных устройств. Гексагональная решетчатая структура кристалла лишена инверсионной симметрии, что вызывает спонтанную поляризацию, а при приложении механической деформации — пьезоэлектрическую поляризацию.
Оба типа поляризации и, что еще важнее, результирующий градиент поляризации на границе раздела можно использовать для оптимизации электронных свойств полупроводниковых приборов.
До недавнего времени поляризация в нитриде галлия и других вюрцитных материалах была понята только посредством теоретического моделирования. Затем эксперименты показали, что спонтанная поляризация примерно в 10 раз больше и имеет противоположное направление по сравнению с тем, что предполагала предыдущая теория.
ScAlN толщиной 100 нм, выращенный на М-полярном GaN после травления в ТМАГ. Конденсаторы сначала были подключены к разным напряжениям, а электроды были удалены с помощью ВЧ, а затем подвергнуты травлению ТМАГ для проверки их соответствующей полярности. Области после подключения положительного напряжения были вытравлены, что позволяет предположить, что эти области являются N-полярными. Кредит: Письма по прикладной физике (2024). DOI: 10.1063/5.0212653
Неправильная референтная структура была корнем большого расхождения между теорией и экспериментами. Предыдущая теория использовала цинковую смесь в качестве референтной структуры, но когда ее заменили на гексагональную референтную структуру, эксперименты и теория очень хорошо согласовались.
«В предыдущей теории для измерения поляризации выбиралась неподходящая линейка, что приводило к получению неполных результатов. Найдя правильную линейку, профессор Крис Ван де Валле из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в 2016 году теоретически получил радикально отличающиеся результаты, которые теперь экспериментально подтверждены нами и другими», — сказал Данхао Ван, научный сотрудник в области электротехники и вычислительной техники в UM и соавтор исследования.
Исследователи пришли к новому стандарту, проанализировав литературу и сопоставив результаты с экспериментальными исследованиями, которые непосредственно измеряли сегнетоэлектричество — спонтанную поляризацию, которую можно обратить вспять при приложении внешнего электрического поля — в монокристаллических сегнетоэлектрических полупроводниках из нитрида III.
Ранее отдельные сообщества исследователей изучали сегнетоэлектричество и материалы из нитрида III — бора, алюминия, галлия или индия в сочетании с азотом — и разрабатывали приложения для этих свойств по отдельности. Исследовательская группа Ми недавно впервые продемонстрировала сегнетоэлектрическое переключение в монокристаллических нитридных полупроводниках.
«Объединив физику и свойства III-нитридных материалов и сегнетоэлектричества, мы можем разработать следующее поколение электроники и оптоэлектроники с более высокой мощностью, емкостью и скоростью, чтобы лучше поддерживать наш мир», — сказал Дин Ван, младший научный сотрудник кафедры электротехники и вычислительной техники в UM и соавтор исследования.
Эти исследования открывают новое направление и дают представление об электронных и оптоэлектронных устройствах на основе нитрида галлия.
«Помимо электроники и оптоэлектроники, это новое понимание поляризации является важным ресурсом для разработки новых материалов и устройств на основе нитридов для будущего чистого энергетического катализа, а также квантовых исследований и технологий», — сказал Ми.
Больше информации:
Дин Ван и др., Переосмысление поляризации в вюрцитных полупроводниках, Письма прикладной физики (2024). DOI: 10.1063/5.0212653
Предоставлено Инженерным колледжем Мичиганского университета.
Цитата: Обновление учебника по поляризации нитрида галлия для оптимизации широкозонных полупроводников (2024 г., 28 июня), получено 29 июня 2024 г. с https://phys.org/news/2024-06-textbook-polarization-gallium-nitride-optimize.html.
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.
